Amador Terán-GilmoreDesarrollo
Tecnológico y Sustentabilidad
en Ingeniería Civil
Tecnologías Sustentables Para la Industria de la Construcción:
Sistema Estructural
Rehabilitación y Tecnología Sustentable en PuentesCampeche, Camp., 19, 20 y 21 de abril de 2018
Riesgo Sísmico
El riesgo sísmico se refiere al riesgo de daño por sismo a un edificio, sistema, medio (entorno) construido u otra entidad. El riesgo sísmico puede entenderse, desde una perspectiva de gestión, como las consecuencias económicas, sociales y ambientales de eventos sísmicos que puedan ocurrir en un ambiente sísmico dado durante un periodo dado de tiempo.
Riesgo sísmico = f (peligro sísmico, vulnerabilidad)
Ser vulnerable a un fenómeno natural significa ser susceptible a sufrir daño y tener dificultad para recuperarse del mismo.
La existencia de un buen reglamento de construcciones y su cumplimiento, así como el uso de tecnologías y sistemas estructurales innovadores, representan las mejores herramientas que posee una sociedad humana para reducir la vulnerabilidad física de su medio construido.
Un concepto que permite entender a las sociedades como reducir la vulnerabilidad física de su medio construido es el de resiliencia. Esta presentación establece que resiliencia es la habilidad de un sistema para minimizar el nivel de daño que sufre ante la ocurrencia de una excitación sísmica, y recuperar su funcionalidad en el tiempo más corto posible.
Riesgo
Casos
Residual
Máximo
Riesgo
Casos
Residual
Elevado
¡No solo es lo correcto desde puntos de vistasocial y ambiental, sino lo sensato económicamente!
No se puede,Es muy caro,
No se necesita,Es muy complicado.
Enfoque actualde diseño Diseño basado
en resiliencia
Avance Tecnológico
Hoy en día el ingeniero estructural cuenta con conocimiento técnico y herramientas prácticas que le permiten reducir la vulnerabilidad (incrementar la resiliencia) del medio construido y, por tanto, a contribuir a mitigar el riesgo sísmico.
“Las herramientasde diseño”
Daño por Sismo
En términos estructurales, hacer que una estructura soporte su peso es mucho mas fácil que diseñarla para que resista simultáneamente cargas gravitacionales y laterales debidas a sismo. Por tanto, es necesario invertir más cuidado y recursos en la construcción de edificios resistentes a sismo.
Además, es posible que los materiales estructurales se pierdan junto con los sistemas no estructurales durante sismos de alta intensidad.
Enfoque Actual. El enfoque de diseño permiteque la estructura se desplace más allá de su límite elástico. El desplazamiento excesivo
puede resultar en daño deconsideración.
ColapsoLímite
Elástico
OcupaciónInmediata
Seguridadde Vida
Prevenciónde Colapso
DesplazamientoCo
rtan
te B
asal
Nivel de Desempeño
A mayor deformación lateral, mayornivel de daño estructural y no estructural
¿Cuáles son las implicaciones del uso del enfoque actual de diseño?
Pérdidas esperadas por sismo para una instalación de manufactura de la empresa Midwest (Griffin, 2006)
Diseño Basado en Resiliencia
Hoy en día se plantea que el objetivo fundamental de todo diseño por sismo debe ser la reducción del consumo de materiales estructurales y su protección.
Control de Pérdidas. Debe controlarse eldesplazamiento de manera más estricta, para queel sistema estructural no sufra daño de consideración.
ColapsoLímite
Elástico
Nivel de DesempeñoOcupaciónInmediata
Seguridadde Vida
Prevenciónde Colapso
DesplazamientoCo
rtan
te B
asal
Enfoque Actual. El enfoque de diseño permiteque la estructura se desplace más allá de su límite elástico. El desplazamiento excesivo
puede resultar en daño deconsideración.
A mayor deformación lateral, mayornivel de daño estructural y no estructural
Innovación en
Diseño Sismorresistente
Las sociedades humanas esperan que los ingenieros civiles seamos capaces de diseñar y construir estructuras que sean o tengan:
a) Más ligeras (menos peso)b) Más seguras (menos vulnerables)c) Mayor vida útil
Los enfoques innovadores en ingeniería sísmica plantean el trabajo integrado de dos sistemas estructurales independientes, uno que baje las cargas gravitacionales, y otro que controle la respuesta lateral del edificio. Ambos sistemas pueden diseñarse con eficiencia sin precedente.
Se toman de la ingeniería mecánica varios conceptos y fierros: disipadores de energía (amortiguadores viscosos), aisladores y sintonizadores de masa; y se adaptan (con creatividad) a los sistemas estructurales de los edificios.
Amortiguadores
Aisladoressísmicos
Sintonizadores de masa
Proyecto Arquitectónico
Sistema Estructural
Dimensionado
Propiedades Estructurales
Respuesta y Demandas Sísmicas
Requerimientos Prescriptivos
Ingenieríade detalle
CumpleNo cumple
EsfuerzoTiempoDinero
Modelos analíticosdetallados
Metemos al edificioen una caja que noha sido pensado ex-profeso para él, sinopara fomentar lasupervivencia duranteel sismo de diseñode cualquier edificioimaginable.
¿ o ?
¿Eficiencia?¿Resiliencia?
Enfoqueactual
meses
ProyectoArquitectónico
Sistema Estructural
HolismoLegado, Seguridad, Funcionalidad
Costos Monetario, Social y Ambiental
Respuesta y demandas sísmicas permisibles
Propiedades Estructurales Globales
Sistema estructural “idóneo”
Charrette(semanas)
Desarrollo del Concepto (meses)
Simpleza Eficiencia
DiseñoIntegral
Desempeño requerido Dimensionado basadoen controlMulti-disciplinario
PersonalizaciónConceptualización
Herramientas simples y poderosas
(charrette)
Modelos analíticosdetallados
Habilidad paraimpactar costo
Costo de cambiosde diseño
Esfuerzode diseño
time
Esfu
erz
o d
e D
ise
ño
Imp
acto
Conceptualización Criterios Desarrollo Documentos de Construcciónde Diseño del Concepto Implantación
?¿
?¿
VS
Consideración de alternativas para un edificio de 24 pisos.
Zona del Lago
Ejemplo
114.80m
45.00m
45.00m
45.00m
1.2 x 1.2 m Columnas
0.8 x 0.8 mColumnas
Sistema tradicional, marcos resistentes a momento compuestos
Diseño conforme a norma Modelo 3D detallado
72.5°
14.31m
45.00m
114.48m
Rejilla rígida compuesta más sistema gravitacional
Diseño basado en desempeño Conceptualización(Diseño final ≈ Prediseño)
Propiedades estructurales, respuesta sísmica
Sistema tradicional con 50% más rigidez lateral y 35% más resistencia lateral
Similares demandas de deformación lateral ante el sismo de diseño
Desempeño estructural para el acelerograma crítico
El uso de un formato prescriptivo impide anticipar daño excesivo en los marcos del sistema tradicional. El sistema satisface el nivel de desempeño de seguridad de vida.
La conceptualización del problema permite anticipar el patrón de daño y concentrarlo en la rejilla rígida. El daño en la rejilla satisface el nivel de desempeño de ocupación inmediata.
Cuantificación de materiales
Edificio/MaterialConcreto
(m3)
Acero de refuerzo
(ton)
Acero estructural
(ton)
Peso(ton)
Tradicional 5,801.9 327.3 5,661.6 18,753.0
Diagrid 270.9 0.0 2,407.1 3,057.0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
Comparando 1 p 'Estructura tradicional' con 1 p 'Estructura DIAGRID'; Método: ReCiPe Midpoint (H) V1.12 / Europe Recipe H / Caracterización
Estructura tradicional Estructura DIAGRID
Comparación de impacto ambiental*
* Inicial
Aplicación a Puentes
Considere el diseño basado en resiliencia de un puente carretero. Se considera el uso de amortiguadores viscosos lineales y aisladores de hule para controlar su respuesta dinámica.
Lineal
Lineal
(Adaptado de Priestley et al. 1996)
(Adaptado de Priestley et al. 1996)
Modelo de dos grados de libertad (adaptado de Hwang y Tseng 2005)
LinealLineal
Conceptualización
Análisis Dinámico No Clásico (Formal)
Cuando el problema no satisface el criterio de amortiguamiento clásico, conviene una transformación de variables (state-space representation) para pasar de una ecuación diferencial de segundo orden a dos ecuaciones diferenciales de primer grado:
𝑴 ሷ𝒙 𝒕 + 𝑪 ሶ𝒙 𝒕 + 𝑲𝒙 𝒕 = −𝑴𝒓 ሷ𝒖𝒈(𝒕)
ሷ𝒖𝒈ሶ𝑿 = 𝑨 𝑿 + 𝑩 𝒖
𝒀 = 𝑪 𝑿𝒀
Enfoque Aproximado
≈ 1
Grande
ParámetrosBásicos
𝝎𝒑𝟐 =
𝒌𝒑
𝒎𝒅 +𝒎𝒑
𝜸 =𝒎𝒅
𝒎𝒅 +𝒎𝒑
𝜺 =𝝎𝒑𝟐
𝝎𝒅𝟐
kp =
kb =
𝝎𝒅𝟐 =
𝒌𝒃𝒎𝒅
kp =
kb =
Frecuencias:
Modos de vibrar:
𝝎𝟏𝟐 ≈ 𝝎𝒅
𝟐
𝑻𝟏 ≈ 𝑻𝒅
𝝎𝟐𝟐 ≈
𝝎𝒑𝟐
𝟏 − 𝜸
𝑻𝟐 < 𝑻𝒑
𝝋𝟏 ≈Τ𝜺 𝜸𝟏
𝝋𝟐 ≈−𝟏 − 𝜸
𝜺𝟏
Factores de participación:
Amortiguamientosmodales:
𝝃𝟏 ≈ 𝝃𝒃
𝝃𝟐 ≈𝟏
𝟏 − 𝜸𝝃𝒑 +
𝜸
𝜺𝝃𝒃
𝜷𝟏 ≈𝜸
𝜺
𝜷𝟐 ≈ 𝟏
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2 4 6 8 10T1
ξ1
Sd (cm)
T (seg)
T2
ξ2
Sd2
Sd1
Superposición modal (SRSS):
𝜹𝒎𝒂𝒙𝒅 ≈ 𝑺𝒅𝟏 𝝃𝟏
𝟐 +𝟏 − 𝜸
𝜺𝑺𝒅𝟐
𝝃𝟐
𝟐
≈ 𝑺𝒅𝟏 𝝃𝟏
𝜹𝒎𝒂𝒙𝒑
≈𝜸
𝜺𝑺𝒅𝟏
𝝃𝟏
𝟐
+ 𝑺𝒅𝟐 𝝃𝟐𝟐
La respuesta del tablero queda dominada por el sistema de aislamiento
La respuesta de la pila queda dominada por la rigidez de lapila (T2 < Tp) y por ξ2
Amortiguamiento segundo modo (ξ2):
ξp = 0.05
Río Lempa, Nuevo Edén de San Juan, El Salvador
Ejemplo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2 4 6 8 10
Sd (cm)
T (segξ = 0.05
ξ = 0.30
Control de PérdidasEnfoque Actual
𝝋𝒚 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟓𝟓 ൗ𝟏 𝒎𝑴𝒚 = 𝟖𝟐𝟔𝟎 𝒕𝒐𝒏 −𝒎
𝜹𝒑𝒚 = 𝟔. 𝟐 𝒄𝒎
Desplazamiento Aproximación Dinámica No Clásica Diferencia
Pila 3.56 cm 3.69 cm 3.52%
Tablero 38.72 cm 37.13 cm 4.28%
Resiliencia
𝐾𝑏
𝐾𝑝= 0.08 → (𝑇𝑏 ≈ 3.5𝑇𝑝)
ξ𝑏
ξ𝑝= 4 → (ξ𝑏 ≈ 0.20)
Aisladores
Disipadores
< 6.2 cm
¿Confiabilidad?¿Optimización?
¿Estètica?
Observación Final
LossControl
Should be achieved with less structural material andpollution, and with adequate safety levels
CollapseElastic
limit
Performance LevelImmediateOccupancy
Life Safety
CollapsePrevention
Displacement
Bas
e S
he
ar
Riesgo
Casos
CollapseElastic
limit
Performance LevelImmediateOccupancy
Life Safety
CollapsePrevention
Displacement
Bas
e S
he
ar
Current design approach
Residual
Elevado
¡No solo es lo correcto desde puntos de vistasocial y ambiental, sino lo sensato económicamente
(inversión marginal en relación a los beneficios)!
No se puede,Es muy caro,
No se necesita,Es muy complicado.
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